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Verfahren zum regelbaren Aufkohlen der Oberflächenschicht von Werkstücken aus Stahl
Es sind verschiedene Verfahren zur Aufkohlung von Werkstücken in geeigneten Gasatmosphäre, sogenannte Gasaufkohlung, bekannt, die in vielen Abwandlungen in der Praxis durchgeführt werden. Diese bekannten Verfahren lassen sich in drei Hauptgruppen einteilen, u. zw. : a) Die Aufkohlungsgase werden in einem geeigneten Gasgenerator erzeugt und in den Wärmebehandlungsofen bereits in der benötigten Zusammensetzung oder als Trägergas mit nur schwacher Kohlungswirkung eingeleitet. Im letzteren Falle wird ein stärker aufkohlen wirkendes Gas zusätzlich dem Ofen zugeführt. b). Die Aufkohlungsgase werden durch thermische Zersetzung kontinuierlich zugeführter, geeigneter, unter Normalbedingungen vorzugsweise flüssiger, Substanzen im Wärmebehandlungsofen erst hergestellt.
Im folgenden wird diese Verfahrensgruppe als"Eintropfverfahren"bezeichnet, auch für die Fälle, wo die Flüssigkeiten vor Eintritt in den Ofen vergast werden. c) Aufkohlung mit Hilfe einer festen und einer gasförmigen Phase, d. h. über das Boudouard'sche Gleichgewicht, wobei im Wärmebehandlungsofen sich ein gewisser Vorrat an Kohlenstoff (z. B. in Form von Koks, Holzkohle usw.) befindet.. (Diese Verfahrensgruppe wird im folgenden nicht mehr berücksichtigt, da sie völlig ausserhalb des Interessenbereiches des erfindungsgemässen Verfahrens liegt.)
Die Verfahren nach a) weisen den grossen Nachteil auf, dass der Betrieb eines Generators in vielen Fällen einen unverhältnismässig grossen Aufwand erfordert.
Es ist auch schon bekannt, für die Gasaufkoh-
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dünnt mit N, zu verwenden und weiteres Gas bzw. Dampf bzw. durch Cracken oder Pyrolyse erzeugtes Gas mit stark aufkohlendem Charakter, wie z. B. Propan, zuzusetzen. Bei den Trägergasmethoden dieser Verfahrensgruppe ist bei grossen aufzukohlenden Oberflächen auch eine riesige Trägergasmenge mit entsprechend grosser Generatorkapazität erforderlich. Nur bei grossen Trägergasmengen kann unter diesen Bedingungen die Grundzusammensetzung des Gases während der Aufkohlung einigermassen erhalten bleiben, was Voraussetzung ist zur automatischen Regelung des C-Pegels über den Gehalt einer Gaskompo- nente.
Die Verfahren nach b) haben zwar den Vorteil der einfachen Betriebseinrichtungen und Betriebsführung, doch ist es unter Verwendung der in der Literatur hiefür genannten Substanzen noch nicht gelungen, das C-Potential während des ganzen Chargenverlaufes über den Gehalt des Ofengase an einer kritischen Gaskomponente zu steuern. Der Grund hiefür liegt einerseits in einer unvollständigen Spaltung der hiefür verwendeten Substanzen, anderseits darin, dass sich die Grundzusammensetzung der Ofenatmosphäre während des Chargenverlaufes bei den bisher bekannten"Eintropfverfahren"in unznlänglicher Weise verän- dert, wodurch die Regulierung des C-Pegels durch die Steuerung des Gehaltes einer einzelnen Gaskomponente illusorisch wird.
Es ist dabei von sekundärem Interesse, ob die Aufkohlungsgase fertig gemischt in den Ofen eingeführt oder durch thermische Zersetzung entsprechend ausgewählter organischer Flüssigkeiten oder durch Kombination dieser beiden Möglichkeiten, z. B. durch Anreichern der Trägergas mit flüssigen Kohlenwasserstoffen, erhalten werden. Infolge der Unsicherheit der momentanen Zusammensetzung der Ofenatmosphäre bei den"Eintropfverfahren"hat man eine einfache automatische Steuerung des C-Pegels im Wärmebehandlungsofen über die Steuerung des Gehaltes einer Gaskomponente nicht für möglich gehalten.
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Im Gegensatz zu diesem Vorurteil der Fachwelt wurde jedoch nun gefunden, dass es bei den "Ein- tropfverfahren"sehr wohi moglich ist, den momentanen Kohlenstoffbedarf unter Berücksichtigung der ge- wünschtenRandaufkohlung und Einsatztiefe mit Hilfe der Bestimmung einer Komponente des den Wärme-
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gehalt, zu regeln, wenn bestimmte, d. h. kritische Bedingungen der Gasatmosphäre bzw. der diese erzeugenden Substanzen eingehalten werden.
Erfindungsgemäss wird das aufgezeigte Problem dadurch gelöst, dass als Trägergas bzw. Flüssigkeiten zur Gewinnung des Trägergases durch thermische Zersetzung im Ofen selbst, und als Aufkohlungsgas bzw.
Flüssigkeiten zur Bildung des Aufkohlungsgases - d. h. ein Gas, welches eine starke Aufkohlung der Werkstücke bewirkt, im Gegensatz zum Trägergas, welches nicht oder nur schwach aufkohlen wirkt - eine solche Substanz ausgewählt wird, die nach der eigentlichen Spalt- und Kohlungsreaktiondieselbe Gas- zusammensetzung ergibt, so dass während der gesamten Periode der Aufkohlung im Ofenraum ohne Rücksicht auf das Verhältnis von trägergasbildender Substanz zu aufkohlender Substanz eine Atmosphäre von konstanter Zusammensetzung herrscht. Auf diese Weise ist es ohne Schwierigkeiten und vor allem ohne
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z. B. nach der CO-Konzentration oder dem Taupunkt der Abgase die Zufuhr des Aufkohlungsgases bzw. der dieses Gas liefernden Substanzen geregelt wird.
Das erfindungsgemässe Verfahren zum regelbaren Aufkohlen der Oberflächenschicht von Werkstücken aus Stahl durch Gasaufkohlung mit-einer im Ofenraum durch thermische Zersetzung von Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff enthaltenden organischen Verbindungen gebildeten Gasatmosphäre, ist demnach dadurch gekennzeichnet, dass man eine solche Kombination von ein Trägergas bzw. nur einen Überdruck
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Gaslungsvorgänge die gasförmigen Reaktionsprodukte bzw. die Reste derselben von beiden Substanzen eine im wesentlichen gleiche und gleichbleibende Gaszusammensetzung ergeben, und dass man die Zufuhr der gasliefernden Substanzen, vorzugsweise der das Aufkohlungsgas liefernden Substanzen, gemäss dem laufend oder in Zeitintervallen bestimmten Gehalt einer Komponente der Ofengase steuert.
Beim Verfahren nach der Erfindung werden als die das Trägergas und das Aufkohlungsgas liefernden Substanzen vorzugsweise zwei organische Flüssigkeiten zusammen oder getrennt in den heissen Wärmebehandlungsofen eingebracht, wobei sie schon vor Eintritt in den Ofenraum verdampfen können. Diese Substanzen werden im Ofen zersetzt und liefern die gewünschte Gasatmosphäre.
Bei diesem Verfahren istim Gegensatz zu den bekannten Trägergas-Verfahren, bei denen ein relativ grosses Gasvolumen, d. i. ein Vielfaches des Ofenvolumens, laufend erneuert werden muss, was gleichbedeutend mit beträchtlichen Kosten für die Substanz, Energie und Anlage ist, - nur die Zufuhr eines relativ geringen Gasvolumens erforderlich, welches ausser zur reinen Aufkohlung lediglich den erforderlichen Überdruck im Ofen aufrecht erhalten und den Gasverlust, der für die automatische Regelung benötigten dauernden Probenahme kompensieren muss, so dass eine Umsetzung im Ofen mit geringem Gasvolumen zur gleichmässigen Sicherstellung des Kohlenstoffangebotes ausreicht.
Beim Verfahren nach der Erfindung ist die notwendige Menge "Trägergas" daher so gering, dass dieses Gas ebensogut als "Überdruck erhaltendes Gas"bezeich- net werden kann.
An Stelle der automatischen Regelung kann selbstverständlich auch die Regelung von Hand treten.
Die Erfindung soll im folgenden an Hand einer schematischen Zeichnung an einer Ausführungsform der zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens geeigneten Aufkohlungsvorrichtung näher erläutert werden.
Fig. l zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens zur automatisch regelbaren Aufkohlung von Werkstücken aus Stahl.
Im Ofen, bestehend aus Ausmauerung 1 und Heizelementen 2, befindet sich eine Retorte 3, die mit dem isolierten Deckel 4 an der Stelle 5 gasdicht abgeschlossen ist. Im Retortenraum befindet sich ein Chargiergestell 6, welches die zu behandelnden Werkstücke 7 trägt, die allseitig vom durch den Ventilator 8 in starker Umwälzung befindliche Gas umspült wird. Durch die Anordnung von Ventilator 8, oberem Leitblech 9 und seitlichem Leitblech 10 ist die mit Pfeilen angedeutete Gaszirkulation bestimmt.
Durch das Rohr 11, das durch das obere Leitblech 9 und den Deckel 4 führt, strömt das zur Kontrolle des Überdruckes bei 12 abflammende Gas aus. Solange die Kontrollflamme brennt, steht der Ofen unter ausreichendem Überdruck. Weiter ist im Deckel 4 mindestens ein Zuführungsrohr 13 zur Einspeisung der flüssigen Substanzen zur Erzeugung der Gasatmosphäre vorgesehen. Schliesslich ist mit dem Rohr 11 eine weitere Abgasleitung 14 verbunden, durch welche Gas zur Probe entnommen und dem Analysengerät 15 zugeführt wird.
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haltes, vorzugsweise zur Bestimmung des Taupunktes der Gasprobe, sein. Die Messergebnisse des Gasanalysengerätes gelangen zu einer automatischen Regelvorrichtung 16, wie sie in der Regeltechnik, z. B. mit Hilfe elektronischer Datenverwertung, üblich ist.
Diese Vorrichtung 16 steuert nun entsprechend der im Ofen herrschenden Gasatmosphäre und des eingestellten Programmes des Kohlenstoffpegels, d. h., des notwendigen Kohlenstoffbedarfes, das Ventil 17 der vom Behälter 12 kommenden Leitung zur Einspeisung einer Flüssigkeit, die ein aufkohlendes Gas liefert. Im Behälter 19 befindet sich die das Trägergas liefernde bzw. Überdruck erhaltende Flüssigkeit. Diese gelangt über das Ventil 20 in eine gemeinsame Zuteilung 13, in der beide Flüssigkeiten vereinigt werden, doch können diese auch getrennt zugeführt werden. Die beiden Flüssigkeitsbehälter 18 und 19 sind so angeordnet, dass bei offenen Ventilen (17 und 20) die Flüssigkeiten durch ihren hydrostatischen Druck ohne Einspritzpumpe in das Zufuhrrohr 13 eintropfen.
Die Flüssigkeiten bzw. deren Mischungen verdampfen und werden zwischen Leitblechen und Retortenwand thermisch zersetzt. Mit Hilfe des Ventilators erfolgt die Umwälzung des Gasgemisches in der angedeuteten Weise, wobei die aufzukohlenden Werkstücke vom Gasstrom allseitig bestrichen werden. Eine Russabscheidung auf den Werkstücken tritt hiebei nicht auf.
Es ist im allgemeinen vorteilhaft, die Zufuhr der Trägergasflüssigkeit während der gesamten Aufkohlungszeit etwa konstant zu halten. Damit ist jedoch nicht gesagt, dass es nicht auch Fälle gibt, wo auch die Veränderung des Zulaufes dieser Flüssigkeit zweckmässig ist. So z. B. kann es vorteilhaft sein, die Zufuhrmenge an Trägergas liefernder Flüssigkeit während eines Teiles der eigentlichen Aufkohlung herabzusetzen im Verhältnis zu der beim Anfahren eingespeisten Menge. Als Trägergas liefernde Flüssigkeit ist eine solche organische Verbindung geeignet, die beim Cracken ein Trägergas mit neutralen oder nur schwach aufkohlenden Eigenschaften ergibt.
Es soll hauptsächlich aus CO + H, mit geringen Mengen demWassergas-und Boudouard'schen Gleichgewicht entsprechenden Mengen an CO und H 0 bestehen. Hiefür eignet sich nach dem erfindungsgemässen Verfahren eine Verbindung, in der das Verhältnis C : 0 ungefähr 1 : 1 beträgt, z. B. Methylalkohol oder Formaldehyd. Es können jedoch auch aliphatische Kohlenwasserstoffe oder ein- oder mehrwertige Alkohole, Aldehyde, Ketone mit 1 - 5 Kohlenstoffatomen verwendet werden, wenn sie im Gemisch mit einer solchen Wassermenge eingespeist werden, dass das Atomverhältnis C : 0 in dieser Mischung ungefähr obigen Betrag erreicht.
Wenn es sich darum handelt, im Verhältnis zum Ofenraum sehr grosse Oberflächen aufzukohlen, so kann als trägergasbildende bzw. überdruckerzeugende Flüssigkeit auch eine Verbindung oder ein Gemisch von Verbindungen verwendet werden, bei dem das Verhältnis C : 0 grösser als 1 ist, beispielsweise ein Gemisch von 1 Mol Isopropanol und 1 Mol Methanol. Bei den zur Erhaltung eines leichten Überdruckes benötigten kleinen Mengen solcher Substanzen oder Gemischen wirken sie nur sehr schwach kohlend bei grossen Werkstückoberflächen.
Zur Lieferung des aufkohlenden Gases wird eine solche organische Verbindung verwendet, die beim Cracken ein stark aufkohlendes Gas ergibt. Bei der Crackreaktion kann intermediär beispielsweise Methan gebildet werden, das bekanntlich ein ausserordentlich starkes Aufkohlungsmittel ist. Das Methan erreicht jedoch durch die automatische Steuerung auf Grund des CO-oderHO-Gehaltes nur Gehalte unter 1%.
Substanzen, die beim Cracken zu umfangreichen Kohlenstoffabscheidungen, d. h. Ablagerungen von Kohlenstoff oder teerartigen Produkten führen, insbesondere aromatische Verbindungen, sind dagegen weniger geeignet. Erfindungsgemäss eignen sich insbesondere solche Stoffe, deren Verhältnis C : 0 grösser als 1, 5 : I, vorzugsweise zwischen 2 : 1 und 3 : 1, aber auch über 3 : 1 liegt. Hiefür kommen vor allem aliphatische Kohlenwasserstoffe mit 1 - 20 Kohlenstoffatomen, deren ein-und mehrwertige Alkohole, Aldehyde, Ketone, Äther, Ester u. ähnl., wenn nötig mit entsprechenden Wassermengen vermischt, in Betracht, vorzugsweise Isopropylalkohol, Aceton oder Methyl- und Äthylacetat.
Wie erfindungsgemass testgestellt und bereits oben angedeutet wurde, ist zur automatischen Regelung des Kohlenstoffangebotes im Ofen über eine Komponente des Abgases eine weitgehend konstante Gaszusammensetzung während des ganzen Kohlungsvorganges erforderlich. Dies wird dadurch erreicht, dass aus den möglichen Substanzen für die Bildung des Aufkohlungsgases eine solche ausgewählt wird, die nach der Kohlenstoffabgabe an das aufzukohlende Gut dieselbe Zusammensetzung der Ofenatmosphäre liefert, wie sie von der Trägergas liefernden bzw. Überdruck erzeugenden Substanz erhalten wird.
Fig. 2 zeigt in Form eines Diagramms die Änderung des CO-Gehaltes in der Ofenatmosphäre mit wechselnden Mischungsverhältnissen von die Ofenatmosphäre liefernden Flüssigkeiten, wobei verschiedene Substanzen als Aufkohlungsflüssigkeit verwendet werden. Es ist deutlich zu sehen, dass sich der
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CO-Gehalt bei verschiedenen Mischverhältnissen Methylalkohol : Aufkohlungsmittel verschieden stark ändert. So gut wie keine Änderung zeigt Äthylacetat. Eine besondere Durchführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens besteht daher in der Verbindung von Methylalkohol als Trägergas liefernde Flüssig- keit mit Äthylacetat als Aufkohlungsgas liefernde Flüssigkeit.
Nach einem bekannten Verfahren wird dem durch Cracken von Methanol entstehenden Gas reiner Propandampf beigemischt und das Gemisch dem Ofen zugeführt. Aus dem Diagramm Fig. 2 ist klar ersichtlich, worauf die in der Literatur diskutierten Schwierigkeiten beruhen, wenn ein derartiges System über die Bestimmung einer Gaskomponente, z. B. CO, gesteuert werden soll. Durch den stark schwankenden CO-Gehalt und damit zwangsläufig geänderten Volumensverhältnissen der andern Gaskomponenten werden so viele Unsicherheitsfaktoren in die Messung eingebracht, dass dieses Verfahren in der Praxis undiskutabel ist.
Aus dem Diagramm ersieht man weiter, dass mit Methanol ausser Äthylacetat noch eine Mischung Isopropylalkohol und Wasser, auch Aceton oder bei kleinerem Kohlungsmittelbedarf auch Isopropanol sehr zweckmässig sind, die daher in der Praxis beim erfindungsgemässen Verfahren wegen ihrer Billigkeit auch Verwendung finden können.
Wird als das "Trägergas" bildende Flüssigkeit z. B. ein Gemisch aus 1 Mol Äthylalkohol und 1 Mol Wasser oder 1 Mol Isopropylalkohol und 2 Mol Wasser verwendet, so lässt sich ein analoges Diagramm aufstellen, aus dem sich ergibt, dass hiefür als Kohlungsgas liefernde Verbindungen ebenfalls die oben genannten besonders geeignet sind.
Soll eine im Verhältnis zum Ofenvolumen extrem grosse Oberfläche aufgekohlt werden, so eignet sich beispielsweise in Kombination mit einem trägergasbildehden oder überdruckerhaltenden Gemisch aus Methanol und Isopropanolim Molverhältnis 1 :. 1, als Kohlungsmittel Aceton ausgezeichnet, wobei dessen Zufuhr automatisch gesteuert wird und dadurch während des ganzenAufkohlungsvorganges keine Änderung der Gaszusammensetzung eintritt. In diesem Falle liegt jedoch ein konstanter CO-Gehalt von 25% vor, im Gegensatz zur Kombination Methanol/Äthylacetat, bei welcher der CO-Gehalt 33% beträgt. Damit müssen zur Einhaltung eines bestimmten C-Pegels bei der einen oder andern Kombination auch andere CO -oderHH 0-Gehalte des Ofengase einreguliert werden.
Bei grossen Oberflächen ist es ferner grundsätzlich möglich, nach dem Ausspülen des Ofenraumes mit durch Spaltung von Methanol erzeugtem Gas (1/3 CO, 2/3 H2) ständig eine kleine konstante Menge von Äthylacetat zufliessen zu lassen, welche nur den Zweck hat, einen kleinen Überdruck zu erhalten (an Stelle vonMethanol). Eine zusätzliche Menge Äthylacetat wird über eine nach dem CO - oder H2 O-Ge- halt gesteuerte Vorrichtung automatisch zugeführt. Auch so wird eine stets konstante Aufkohlungsatmo - sphäre erhalten.
Vor Einsatz des Aufkohlungsgutes in den Ofen sind folgende Faktoren zu bestimmen :
Kohlenstoffgehalt der Werkstücke gewünschte Randaufkohlung gewünschte Einsatztiefe
Aufkohlungstemperatur
Trägergas liefernde Substanz
Kohlungsgas liefernde Substanz C02- bzw. H20-Konzentration der Ofenatmosphäre hin- sichtlich des erforderlichen Kohlenstoffangebotes.
Nach diesen Werten wird die Steuervorrichtung eingestellt und die Vorratsbehälter für die beiden
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Verfahrens zwischen Beschickung und Austragung einschliesslich Spülen des Ofenraumes erfolgt die Zufuhr der Flüssigkeiten über eine oder zwei Speiseleitungen durch automatische Steuerung auf Grund des momentanen C02 - bzw. Wassergehaltes der Ofenatmosphäre.
Gegenüber dem Stand der Technik weist das erfindungsgemässe Verfahren wesentliche Vorteile auf wie : Exakte Einhaltung des angestrebten Aufkohlungspegels und der Einsatztiefe, Unabhängigkeit von der.
Grösse der aufzukohlenden Oberfläche und damit der benötigten Menge Kohlungssubstanz, keine Ablagerungen von Russ oder sonstigen Rückständen auf der Oberfläche der Werkstücke und damit keine Nachbehandlung, d. h. Reinig, ing, minimaler Gasbedarf, keine komplizierten und kostspieligen Armaturen zur
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Erzeugung, Förderung, Messung und Regelung grosser Gasvolumina, billige und jederzeit verfligbare Stoffe für die Gasatmosphäre, keine zusätzliche Vorrichtung für die Gaserzeugung, wie getrennt angeordnete Gasgeneratoren, was erreicht wird lediglich durch Eintropfen der, genannten Flüssigkeiten in den Ofenr um, Möglichkeit, die eine oder andere Flüssigkeitszufuhr zu steuern sowie Weiterführung der Ofenreise ohne Betriebsstörungen und Verluste,
auch wenn die Zufuhr oder Dosierung der geregelten Flüssigkeit oder die Heizung durch Stromunterbruch vorübergehend versagt.
PATENTANSPRÜCHE-
1. Verfahren zum regelbaren Aufkohlen der Oberflächenschicht von Werkstücken aus Stahl durch Gasaufkohlung mit einer im Ofenraum durch thermische Zersetzung von Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff enthaltenden organischen Verbindungen gebildeten Gasatmosphäre, dadurch gekennzeichnet, dass man eine solche Kombination von ein Trägergas bzw. nur einen Überdruck erzeugendes Gas und ein Aufkohlungsgas liefernden Substanzen verwendet, dass durch die Spalt- und Kohl11IÍgsvorgänge die gasförmigen Reaktionsprodukte bzw.
die Reste derselben von beiden Substanzen eine im wesentlichen gleiche und gleichbleibende Gaszustammensetzung ergeben, und dass man die Zufuhr der gasiiefernden Substanzen, vorzugsweise der das Aufkohlungsgas liefernden Substanzen, gemäss dem laufend oder in Zeitintervallen bestimmten Gehalt einer Komponente der Ofengase steuert.